廣工數媒計算機圖形學之2計算機圖形系統

計算機圖形學的基本任務是研究如何利用計算機來處理圖形。計算機圖形系統必須包含以下幾個方面的任務：如何用適當的硬件來實現圖形處理功能；如何設計好的圖形軟件；圖形處理所需要的數學處理方法和算法；如何解決實際應用中的圖形處理問題；因此，計算機圖形系統是計算機硬件、圖形輸入輸出設備、計算機系統軟件和圖形軟件的集合。廣東工業大學機電學院圖學與數字媒體工程系計算機圖形系統基本功能框架圖顯示器交互計算存儲輸出輸入圖形輸入設備圖形輸出設備數據庫計算機圖形系統的功能一個交互式計算機圖形系統應該具有計算、存儲、對話、輸入和輸出等五個方面的功能。1.計算功能應包括形體的設計、分析的方法的程序庫和有關描述形體的圖形數據庫。數據庫中應有坐標的幾何變換，曲線、曲面的生成，圖形交點的計算以及性能檢驗等功能。2.存儲功能在計算機的內存、外存中要存放圖形數據，尤其是要存放圖形數據之間的相互關系。可根據用戶的要求實現信息的實時檢索，圖形的變更、增添和刪除等處理。3.交互功能用戶通過圖形顯示器和圖形輸入設備進行人機通信的方式。用戶通過顯示屏觀察設計結果，通過鼠標、鍵盤等輸入設備編輯、修改圖形，等等4.輸入功能將設計過程中圖形的形狀、大小和顏色屬性等必要的參數和命令輸入到計算機中。5.輸出功能包括顯示輸出和打印輸出圖形、數據，還包括將設計文件保存到外存儲器中。計算機圖形系統的功能1.圖形軟件圖形軟件分為圖形應用數據結構、圖形應用軟件和圖形支撐軟件三部分。三部分都處于計算機系統之內并與外部的圖形設備進行接口。三部分互相聯系、互相調用、互相支持，形成圖形系統的軟件部分。計算機圖形系統的結構根據基本功能的要求，一個交互式計算機圖形系統應包括圖形軟件和圖形硬件兩大部分。計算機圖形系統的結構——圖形軟件圖形應用數據結構：圖形應用數據結構對應一組圖形數據文件，其中存放將要生成的圖形對象的全部描述信息。包括確定物體形狀、位置、大小的幾何信息；與圖形構成有關的拓撲信息（如點、線、面之間的相互關系）；與圖形顯示有關的屬性信息（如顏色、線型、明暗、紋理等）……計算機圖形系統的結構——圖形軟件圖形應用軟件：圖形應用軟件是解決某種應用問題的圖形軟件，是圖形系統的核心部分，包括各種圖形生成技術，是圖形技術在各種不同應用的抽象。如AutoCAD、Photoshop、CorelDRAW

、3DSMax、Flash等計算機圖形系統的結構——圖形軟件圖形支撐軟件：圖形支撐軟件是由一組公用的圖形子程序組成的。圖形支撐軟件可以被看成是計算機操作系統在圖形處理功能上的擴展，是計算機高級語言在圖形處理語句功能上的擴展。標準圖形支撐軟件在操作系統上建立了面向圖形的輸入、輸出、生成、修改等功能命令，對用戶透明，與采用的圖形設備無關（方便應用軟件在不同系統間移植）。具有高級語言接口，支持高級語言程序設計。采用標準圖形支撐軟件降低了軟件研制的費用和難度。常用的圖形支撐軟件包括：OpenGL，ACIS，DirectX。ACIS是用C++構造的圖形系統開發平臺，它包括一系列的C++函數和類（包括數據成員和方法）。開發者可以利用這些功能開發面向終端用戶的三維造型系統。

DirectX，（DirecteXtension）是由微軟公司創建的多媒體編程接口，由C++編程語言實現。DirectX具有加強3d圖形和聲音效果的功能，并提供設計人員一個共同的硬件驅動標準，讓游戲開發者不必為每一品牌的硬件來寫不同的驅動程序，也降低用戶安裝及設置硬件的復雜度。

計算機圖形系統的結構——圖形軟件平臺實現層次語言應用領域OpenGL底層（顯卡）C/C++三維設計軟件ACIS底層（操作系統）C/C++三維造型和顯示DirectX底層（操作系統）C++三維游戲計算機圖形系統的結構——圖形軟件常用圖形開發平臺的比較計算機圖形系統的結構——圖形硬件計算機圖形硬件包括具有高性能、高速度、大存儲量的計算機系統，常規外圍設備，以及圖形輸入輸出設備。圖形輸入設備包括鍵盤、鼠標、掃描儀、觸摸屏、光筆、數據手套等。輸出設備包括圖形顯示器、圖形硬拷貝設備（打印機、繪圖儀等）。廣東工業大學機電學院圖學與數字媒體工程系圖形顯示設備的發展：

60年代中期，隨機掃描顯示器

60年代后期，存儲管式顯示器

70年代中期，光柵掃描圖形顯示器。目前常用的圖形顯示器有：CRT（陰極射線管）顯示器、液晶顯示器、等離子顯示器和激光顯示器。計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備廣東工業大學機電學院圖學與數字媒體工程系CRT（陰極射線管CathodeRayTube）顯示器工作原理CRT是一種真空器件，它由電子槍內的電磁場產生陰極射線，通過聚焦系統，使射線匯聚成電子束；通過偏轉系統改變電子束的方向，使其射向涂有熒光層的顯示屏幕上的指定位置，在該位置上產生一個亮點。計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備彩色CRT顯示器工作原理CRT顯示器利用能發射不同顏色光的熒光層的組合來顯示彩色圖形。任何一幅彩色圖形都是由紅（R）、綠（G）、藍（B）三基色組合而成。三基色決定于涂覆在顯象管屏幕上的三種熒光粉在電子束的轟擊下發出的色光。彩色顯象管分為三槍三束和單槍單束兩大類，最常用的是三槍三束蔭罩式彩色顯象管，它由三只獨立的電子槍發出三束電子束，同時轟擊屏幕上的一個點三角形，在屏幕上顯示出一個彩色亮點。計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備彩色CRT顯示器在位于熒光涂層之后有一個蔭罩柵格，柵格上有一系列與屏幕上的熒光點對齊的小孔。位于蔭罩后方、整個顯象管的尾部的三支獨立的電子槍排列成一等邊三角形。工作時，三支電子槍按照控制信號，分別發出強弱不等的紅、綠、藍三原色電子束，三支電子束交匯穿過蔭罩的一個小孔后，激活屏幕上一個磁化熒光點三角形，由于點三角形中的三原色點非常小，人的眼睛趨于點三角合并為一個組合色，于是在屏幕上看到一個彩色亮點。彩色CRT顯示器工作原理計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備廣東工業大學機電學院圖學與數字媒體工程系彩色CRT顯示器主要組成部分：三色熒光屏三支電子槍蔭罩板彩色CRT顯像管工作原理示意圖彩色CRT顯示器工作原理計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備廣東工業大學機電學院圖學與數字媒體工程系彩色CRT顯像管工作原理示意圖彩色CRT顯示器工作原理計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備每一種原色都有256個強度等級，改變三支電子束的強度，可以改變屏幕亮點的顏色。例如通過控制信號關掉紅槍和綠槍，那么在屏幕上將看到一個藍色的亮點，此時該點的顏色值為R=0，G＝0，B＝255。彩色CRT顯示器工作原理計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備為使顏色正確，圖形圖像的影像輪廓清晰，對蔭罩式彩色顯示器有色純、會聚和白平衡三方面的技術要求。色純——三支電子槍必須準確擊中各自對應的熒光點，不能誤擊，以保證屏幕上顯示出來的光點色彩純正。會聚——不論電子束掃描到哪一個位置，三支電子束都應準確地通過同一個蔭罩小孔，并準確地轟擊同一個點三角形。會聚性越好，三色重疊越好，影像越清晰。白平衡——白色和灰色的正確重現，稱為白平衡。白平衡是保證色彩重現的先決條件。彩色CRT顯示器技術評定指標計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備平板顯示器與CRT相比較一個顯著的優勢是輕和薄，其它的特點是低電壓、數字化。平板顯示器一般分兩大類：非發射顯示器和發射顯示器。非發射顯示器利用光學效應，將太陽或來自其他光源的光轉換為圖形圖案，典型設備是液晶顯示器。發射顯示器是將電能轉換為光能，最終顯示出圖形圖案，典型設備是等離子顯示器、薄膜光電顯示器以及發光二極管等。平板顯示器（Flat_PanelDisplay）：計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備液晶是一類有機化合物，在一定的溫度下不但有象液體那樣的流動性，而且具有象晶體那樣的各向異性。液晶于1888年被發現，1963年制成液晶溫度計；此后以液晶光電效應為原理的液晶顯示器迅速發展，目前液晶顯示器已經得到非常廣泛地應用。液晶顯示的機理是通過能阻塞或傳遞光的液晶材料，傳遞來自環境的或系統內部光源的偏振光。平板顯示器——液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備與普通CRT、發光二極管等顯示器件不同，液晶顯示器件本身并不發光，而是利用液晶的光電效應，通過施加電壓來改變液晶的光學特性，從而造成對入射光的調節，使通過液晶材料的透射光或反射光受所加電壓的控制，達到顯示圖形圖像的目的。平板顯示器——液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備等離子體顯示板也稱為氣體放電顯示器。將包含有氖氣在內的混合氣體充入兩塊玻璃板之間的區域，其中一塊玻璃板上構造有一系列垂直方向的導電帶，另一塊玻璃板上則構造有一組水平方向的導電帶。在成對的水平和垂直導電帶上施加點火電壓，導致兩導電帶交叉點處的氣體進入電子和離子的輝光放電等離子區。導電帶的交叉點就是屏幕顯示的象素點。平板顯示器——等離子顯示器（PlasmaPanel）計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備圖形的定義存儲在刷新緩沖器中，點火電壓以每秒60次的速率刷新各個象素位置，象素之間的分割是由導電帶的電場提供的。彩色和多灰度等級的等離子顯示器是近幾年才研制成功的，目前等離子體顯示板已能達到2048x2048的高分辨率。等離子體顯示板的優點是平板式、透明，工作狀況非常穩定。平板顯示器——等離子顯示器（PlasmaPanel）計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備隨機掃描顯示器工作原理計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備隨機掃描（random-scan）的圖形顯示器中電子束的定位和偏轉具有隨機性，即電子束的掃描軌跡隨顯示內容而變化，只在需要的地方掃描，而不必全屏掃描。隨機掃描顯示器工作原理計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備隨機掃描顯示器無冗余掃描、速度快、圖像清晰、比光柵系統更高的分辨率、生成光滑線條。隨機掃描顯示系統是為畫線應用設計的，不能顯示逼真的有陰影的場景，掃面方式和電視標準不一致，驅動系統也較復雜。廣東工業大學機電學院圖學與數字媒體工程系光柵掃描是控制電子束按某種光柵形狀進行的順序掃描，而字符、圖象是靠Z軸信號控制輝亮來形成的。光柵掃描顯示器工作原理計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備CRT光柵掃描顯示器，電子束橫向（X方向）掃描屏幕，每次一行自頂向下（Y方向）進行，稱為逐行掃描顯示器。當電子束掃描每一行時，根據幀緩存器中存儲的信息（通常稱為Z軸信號），電子束的亮度和顏色不斷變換，從而在屏幕上產生與幀緩存器中存儲的信息對應的圖形。電子束轟擊屏幕時在屏幕上產生的一個點稱為一個象素點。光柵掃描顯示器工作原理計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備光柵掃描顯示器將被顯示的線段、字符、圖形及其背景色都按像素存儲在刷新緩沖存儲器（RefreshBuffer）或幀緩沖存儲器（FrameBuffer）中，存儲器中保存的每單位信息對應屏幕上的光柵掃描系統的一個像素點（Pixel，或Pel，Pictureelement）。光柵掃描系統具有存儲屏幕上每一個亮點信息的能力，能較好的將包含細微陰影和彩色模式的場景逼真的顯示出來。電視機和打印機也是應用光柵掃描方式生成圖形的。光柵掃描顯示器工作原理計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備光柵掃描顯示器是以行、列為坐標的畫點設備，只有在顯示水平、垂直和45°傾斜的直線時，像素點集在直線路徑上的位置才是準確的，其它情況下的直線均呈臺階狀，即圖形走樣。采用反走樣技術可減輕臺階效果。光柵掃描顯示器工作原理計算機圖形系統的結構——圖形顯示設備計算機圖形系統的結構——圖形顯示子系統光柵掃描圖形顯示子系統的結構如下圖所示。各自的功能見課本p37。圖形繪制流水線計算機圖形系統的結構——圖形顯示子系統一、應用程序階段，接收各種圖形輸入設備的輸入，完成各項操作。應用程序階段模型與視點變換光照投影裁剪屏幕映射光柵階段幾何階段圖形繪制流水線的基本結構圖形繪制流水線計算機圖形系統的結構——圖形顯示子系統二、幾何階段，實現大部分的多邊形和頂點操作，可分為模型與視點變換（圖形的幾何變換）、光照（真實感圖形繪制）、投影（平行投影或中心投影）、裁剪（確定顯示范圍）和屏幕映射（二維圖形坐標空間到屏幕坐標空間的變化）等功能階段，實現圖形對象從定義到屏幕上顯示過程所需要的一系列幾何變換。三、光柵階段，實現圖形對象的掃描轉換，即將幾何階段獲得的各種坐標與屏幕像素對應并存入幀緩沖存儲區。光柵掃描顯示器總是與幀緩存區聯系在一起的。幀緩沖區是存儲器中一塊足夠容納要顯示圖片的區域。PC機的顯卡中有幀緩沖區所需的存儲器。顯示屏每一個像素對應緩沖區的某一個存儲單元，在這個單元中存儲著對應像素的色彩信息。當掃描控制器傳送地址到幀緩沖區時，該地址對應的單元所存儲的色彩信息，經由轉換線路被傳送到顯示屏上的對應位置。完成對一個像素的掃描。幀緩沖區計算機圖形系統的結構——圖形顯示子系統屏幕分辨率——也稱為光柵分辨率或物理分辨率，它決定了顯示系統最大可能的分辨率，任何顯示控制器所提供的分辨率都不能超過物理分辨率。屏幕分辨率與顯示器物理屏幕尺寸、物理光點尺有關，例如12英寸顯示器有效顯示區域為200x160mm2，光點直徑為0.31mm，則該屏幕最大物理分辨率為640x480。光點的大小決定了顯示器的顯示精度。計算機圖形系統的結構——相關概念廣東工業大學機電學院圖學與數字媒體工程系顯示分辨率——計算機顯示控制器能夠提供的不同顯示模式下的分辨率，也稱為顯示模式。對于文本顯示方式，顯示分辨率用行、列能顯示的字符總數的乘積表示；對于圖形顯示方式，顯示分辨率用水平和豎直方向能顯示的像素點的總數的乘積表示，如常見的640x480、800x600等。顯示分辨率受屏幕分辨率的限制。顯示分辨率不同，像素點的大小不同。計算機圖形系統的結構——相關概念存儲分辨率——指幀緩沖存儲區的大小，一般用緩沖區的字節（byte）數表示。對于光柵顯示系統，光柵中的像素數目稱為緩沖區的分辨率。緩沖區的大小不僅由分辨率決定，還與色彩的位深度有關。對于黑白二值圖像，色彩位深度為1，對于256色彩色圖形，位深度為8。計算機圖形系統的結構——相關概念相關概念舉例計算示例一：已知屏幕物理光點直徑為0.31mm，屏幕尺寸為17英寸，有效顯示區域為345mm*259mm，求屏幕最大顯示分辨率是多少？水平方向約排列光點數：豎直方向約排列光點數：該屏幕能設置的最大顯示分辨率為1112*835。計算機圖形系統的結構——相關概念計算示例二：顯示分辨率為640x480，黑白圖像，需幀緩沖區大小為：1KB=1024B相關概念舉例計算機圖形系統的結構——相關概念計算示例三：顯示分辨率為1024x1024，顏色位深度為4（每個像素點需要4位二進制數表示色彩信息，稱為16色圖像）的圖像，需幀緩沖區大小為：相關概念舉例計算機圖形系統的結構——相關概念像素與幀緩存屏幕上一個像素點對應幀緩存中的一組信息（通常是顏色信息），實現這種對應常用組合像素法和顏色位面法。組合像素法——屏幕上一個像素的信息被編碼成一個字節，按照一定方式存儲在幀緩存中，編碼字節的長度與點的屬性有關。計算機圖形系統的結構——相關概念相關概念——像素與幀緩存顏色位面法——將幀緩存分成若干獨立的存儲區域，每一個區域成為一個位面，幾個位面中的同一位上的顏色信息組合成屏幕上一個像素的信息。如果每一個原色有8個位面的幀緩存，組合在一起后，每一種原色可有256（28

）種顏色，三原色的組合就是224種顏色，即位深度為24。這樣的光柵顯示器稱為全彩色（真彩色）光柵顯示器。計算機圖形系統的結構——相關概念相關概念—